CN1808080A - 飞秒激光相机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种测量飞秒脉冲激光各种特性的装置。所要解决的技术问题是该装置应能精确测量飞秒激光脉冲的宽度(振幅)、快速测量初始相位及其分布，直观检测飞秒激光脉冲的啁啾状态、载波中心频率与光谱带宽，并能够绘出飞秒激光脉冲的波形图象。技术方案是：飞秒激光相机，沿着相机激光输入端口的激光脉冲方向依次设置有模式转换器、一面透射另一面反射镜和光谱相位调制器，并设置聚焦透镜，又在模式转换器所反射的激光脉冲方向设置附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪，并依次设置所述的聚焦透镜、倍频晶体、空间滤波光圈、增益选择开关、光谱仪和摄象机，且在增益选择开关所反射的激光脉冲方向设置干涉自相关接收器SHG，另外还配有计算机。

Description

飞秒激光相机

技术领域

本发明涉及一种测量超短脉冲激光的装置，尤其是能够精确测量脉宽、快速测量相位及啁啾等特性的飞秒脉冲激光的装置。

背景技术

目前超短脉冲激光，一般是指脉冲宽度小于皮秒(ps，10^-12秒)量级以下的激光。自上世纪60年代激光器问世以来，最初超短脉冲激光是利用调Q开关的自由振荡激光器产生的几个纳秒(ns，10^-9秒)宽度的光，到90年代，由于发明了克尔透镜锁模和孤子锁模技术，并采用新型宽频带激光介质(如掺钛兰宝石Ti:Al₂O₃)的固体自锁模激光器，已经可以直接产生几个飞秒(fs，10^-15秒)宽度的光。由于飞秒脉冲激光自身具有极高的时间分辨特性和极大的峰值能量，已被广泛应用于各种超快现象的研究和强场下的物理行为。如分子的弛豫过程、生物细胞的新陈代谢研究、光化学反应动力学以及激光核聚变等。然而，目前超短脉冲激光测量技术却相对滞后。迄今为止，由于受到电子探测技术的时间极限分辨率的限制(一般是1ps左右)，还没有任何一种可以直接测量飞秒脉冲激光的仪器。为了适应越做越窄的超短脉冲激光的测量，人们只能仍然采用相干检测技术。这种技术的基本思想是：利用满足光学相干(或称相关)条件下的测量结果，通过数学方法间接地计算出所需要的待测信息。随着超短脉冲激光技术的飞速发展，对飞秒脉冲的准确测量已经成为十分迫切的需求。尤其是当脉冲宽度很窄(小于10fs)时，不仅需要精确测量脉宽，而且需要同时测量脉冲相位及啁啾特性等信息。然而，传统的只能测量脉宽的超短脉冲激光测量装置(如双光子荧光法、条纹相机等)已经无法适用，仅有相干法延用至今。另一方面，在飞秒激光器的研究领域，为了获得最窄脉冲，必须尽可能地补偿啁啾；同时，为了快速且有方向性地补偿啁啾，压缩脉冲和改善脉冲形状，也需要有能快速测量脉冲相位、啁啾特性的测量装置。因此，发展与开发飞秒脉冲激光测量技术，完整地了解飞秒脉冲的宽度、相位及啁啾等信息，是超快技术研究领域中非常重要的内容。经过长期探索，人们先后提出了许多种相干检测方法。其中，最主要的国际公认的两种标准飞秒脉冲激光测量方法是：频率分辨光学开关法(FROG)和光谱位相相干直接电场重构法(SPIDER)。

频率分辨光学开关法(FROG)是上世纪90年代提出的一种能够间接求得待测脉冲宽度、相位等信息的相干检测方法。它的基本原理是：将被测光分成两束，一束作为探测光，另一束引入时间延迟τ作为开关光，再把两束光汇聚到非线性介质中产生相互作用，利用介质产生的二阶或三阶非线性效应，接收探测光与开关光相互作用的和频光作为信号光，再经光谱仪并用CCD摄像机测得其光强分布的图象(实际上它是一个与时间和频率有关的二维函数)，利用计算机并采用迭代运算就可以求得被测脉冲宽度和相位信息。在FROG方法中，根据不同的光开关函数，有多种不同的设计方案。其中，基于传统的二次谐波-频率分辨光开关法(SHG-FROG)，简单易调、灵敏度高，因而被广泛采用。具体如图9所示：被测飞秒脉冲激光光束G₁经分束镜B₁分为两束：一束经迈克尔逊干涉仪(包括直角反射镜M₁、M₂，半反半透镜B₁，反射镜M₃)中的固定直角反射镜M₁，作为探测光；另一束经迈克尔逊干涉仪中的可动直角反射镜M₂，作为开关光(以引入一个时间延迟量τ)；并使两束光平行入射到透镜L1并聚焦到非线性介质S₁(BBO或KDP)中产生相互作用，经光谱仪T1进行光谱展开后由CCD接收，从而得到相互作用后的光强信息，亦称为SHG-FROG的“迹线谱图”。它是一系列不同延迟时刻、强度自相关信号的频谱沿延迟时间轴的分布，用数学式表示为：

$I_{\mathrm{FROG}}(\mathrm{\ω},\mathrm{\τ})={\left|\underset{-\∞}{\overset{\∞}{\∫}}{E}_{\mathrm{sig}}(t,\mathrm{\τ})\exp \left(\mathrm{j\ωt}\right)\right|}^2={\left|E_{\mathrm{sig}}(\mathrm{\ω},\mathrm{\τ})\right|}^2$

其中： $E_{\mathrm{sig}}(t,\mathrm{\τ})=\tilde{E}\left(t\right)\tilde{E}(t-\mathrm{\τ})$ 为信号光的包络表达式。

$E\left(t\right)=\tilde{E}\left(t\right)\exp [-j\left({\mathrm{\ω}}_{c}t\right)-\stackrel{\→}{K}r]$ 为待测飞秒脉冲激光电场表达式。

ω_c为中心载波频率， 为波矢，

为待测飞秒脉冲的时域复包络。

实际上，I_FROG(ω，τ)为E_sig(t，τ)的傅里叶变换的模的平方。因而，由SHG-FROG迹线(摄得的图象)数据通过计算机，并采用迭代算法(归一化的Gerchberg-Saxton算法)获得唯一解，即可以唯一地确定待测飞秒激光脉冲的脉宽和相位信息。它的优点是结果准确，缺点是速度较慢，不适合实时检测。

光谱位相相干直接电场重构法(SPIDER)或称自参考光谱位相相干直接电场重构法，是上世纪90年代在光谱相干法的基础上提出的一种能够快速计算待测脉冲相位的方法。法国人C.Froehly在上世纪70年代最早提出光谱相干概念，它的基本原理是，将满足相干条件的两束光通过非线性介质作用，并用光谱仪(其作用是将时域光信号转变成频域光信号，即傅立叶变换)记录干涉条纹(条纹的频率间隔与两束相干光的延迟时间τ成反比，为2π/τ)，若对该干涉条纹进行傅立叶反变换就可以求出这两束光的光谱相位差，如果已知其中一束参考光的光谱相位，则可求出另一束的光谱相位。但是，实际上参考光的光谱相位也是未知的，于是又提出了自参考光谱相干法，即将待测光脉冲经迈克尔逊干涉仪，复制成具有相对延迟时间τ的一对儿镜像脉冲，但是由于它们之间的光谱相位差为零，仍然无法得到脉冲的谱相位。直到上世纪90年代，一种利用“光谱剪裁”的自参考光谱相干法(即SPIDER法)解决了上述问题。SPIDER法的核心是：利用脉冲展宽技术设法给参考光附加一个已知的小频移量Ω，并使该频移量不影响被测光脉冲的相位，再利用上述光谱相干法就可以计算出被测光脉冲的相位。具体如图10所示：被测激光脉冲G₂经分束镜B₄分为两路，其中的一路光反射至迈克尔逊干涉仪(包括固定直角反射镜M₄、和可移动直角反射镜M₅，半反半透镜B₂、B₃)后分为两束完全相同的具有相对时间延迟τ的脉冲光，这两束脉冲光合并一起送至聚焦镜L2；另一路脉冲光由分束镜B₄透射至作为光谱相位调制器J的非线性介质中被展宽，由于作为光谱相位调制器(亦称展宽器)的介质材料的色散系数等参数已知，所以能够实现如上所述给参考光附加一个已知的小频移量；被展宽而赋予频移量的线形正啁啾脉冲光，经全反射镜M₆、M₇反射后，与前一路光脉冲对平行入射到聚焦镜L₂，并进入非线形晶体S₂进行频率转换，之后由光谱仪T2接收；由于时间延迟τ及啁啾的存在，使得两束脉冲光在不同的频率上和频，并在频域产生一个频差，被称为光谱剪切量(用Ω表示)；光谱仪记录下带有光谱剪切量Ω的脉冲对的干涉谱图象(也称为SPIDER迹线)送入计算机经简单运算即可得出相位值。SPIDER迹线的数学表达式为：

$D(\mathrm{\ω},\mathrm{\τ})={\left|\tilde{E}({\mathrm{\ω}}_C-\mathrm{\Ω})\right|}^2+{\left|\tilde{E}\left({\mathrm{\ω}}_C\right)\right|}^2+2\left|\tilde{E}({\mathrm{\ω}}_C-\mathrm{\Ω})\right|\left|\tilde{E}\left({\mathrm{\ω}}_C\right)\right|\×\mathrm{COS}[\mathrm{\θ}\left({\mathrm{\ω}}_C\right)-\mathrm{\ω\τ}]$

θ(ω_C)＝_ω(ω_C-Ω)-_ω(ω_C)

其中

τ为相对时间延迟，

为展宽器的二阶色散，

与

为两束光脉冲的频域表达式。

由于SPIDER方法对光脉冲能量要求不高，可以直接从激光器振荡级的输出进行检测(无需光功率放大级)，而且它的重构脉冲相位的处理运算不需要迭代算法、简单快捷，可以作为实时检测光脉冲的相位信息的工具，但此方法不能直接给出脉冲宽度等信息。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是克服上述背景技术的不足，提供一种飞秒激光脉冲检测装置，该装置应能精确测量飞秒激光脉冲的宽度(振幅)、快速测量初始相位及其分布，直观检测飞秒激光脉冲的啁啾状态、载波中心频率与光谱带宽，并能够绘出飞秒激光脉冲的波形图象。

本发明采用了以下技术方案：

飞秒激光相机，该相机具有一激光输入端口，沿着该端口的激光脉冲方向依次设置有模式转换器、一面透射另一面反射镜和光谱相位调制器，并在一面透射另一面反射镜所反射的激光脉冲方向和聚焦透镜之间设置一传送激光脉冲的反射镜，以便使得该路激光脉冲先穿过模式转换器、一面透射另一面反射镜输至光谱相位调制器进行频率剪裁，然后沿原路返回至一面透射另一面反射镜并反射至聚焦透镜；又在模式转换器所反射的激光脉冲方向设置附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪，并在迈克尔逊干涉仪所输出的激光脉冲方向依次设置所述的聚焦透镜、倍频晶体BBO、空间滤波光圈、增益选择开关和光谱仪，且在增益选择开关所反射的激光脉冲方向设置干涉自相关接收器SHG，另外还配有计算机和摄象机CCD，以便使得另一路由模式转换器反射的激光脉冲先穿过迈克尔逊干涉仪，并从迈克尔逊干涉仪输出后与前述的由一面透射另一面反射镜所反射的一路激光脉冲一起平行输入到聚焦透镜合并后进入倍频晶体BBO进行和频；经过和频的激光脉冲又通过空间滤波光圈、增益选择开关后分为两束激光脉冲，一束激光脉冲穿过增益选择开关进入光谱仪，由摄象机CCD摄像并送至计算机处理图象数据，另一束激光脉冲由增益选择开关反射至干涉自相关接收器SHG后输出信号给计算机处理。

所述的模式转换器中设有一可绕圆心转动的圆形的光学镜，其中半个圆制成全反射镜，另半个圆制成半反半透镜，该镜由精密电机带动并由计算机控制，以使飞秒激光相机的检测状态处于全信息模式、即时相位模式、啁啾状态模式或比较模式。

所述的增益选择开关中设有一可绕圆心转动的圆形的光学镜，其中1/3个圆制成全反射镜，1/3个圆制成半反半透镜，1/3个圆为全透镜，该镜由精密电机带动并由计算机控制。

所述的时间延迟快门包括设置在充油内腔中的精密螺杆丝杠、步进电机、精密位移传感器以及相关电路，并且与计算机DN连接控制，还包括迈克尔逊干涉仪中的可动直角反射镜。

所述的空间滤波光圈是一中心孔面积可连续调整的光圈，用光学多维调节架固定。

所述的光谱相位调制器包括相互间形成一定角度的光栅、直角反射镜和可移动反射镜。

本发明提供的检测装置具有多种检测功能：

1、当模式转换器处于“全信息模式”时，具有SHG-FROG方法及SHG方法的检测功能。此时，被测激光脉冲被模式转换器中的光学镜的全反射镜区域反射。增益选择开关可以选择两种状态：全透射状态时，能够以SHG-FROG方法测量被测飞秒激光脉冲的脉冲宽度(振幅)、相位、载波中心频率与光谱带宽的信息；增益选择开关选择半反半透射状态时，能够以传统的SHG方法测量被测飞秒激光脉冲的脉冲宽度(振幅)、载波中心频率与光谱带宽的信息。

2、当模式转换器处于“啁啾状态模式”时，具有啁啾状态检测功能。此时，被测激光脉冲被模式转换器中的光学镜的全反射镜区域反射。增益选择开关可以选择全反射状态，同时又需启用干涉自相关接收器，能够完整精确地测得飞秒激光脉冲所含啁啾的大小和正负，并可以达到定量分析的效果。

3、当模式转换器处于“即时相位模式”时，具有SPIDER方法检测功能。此时，被测激光脉冲入射到模式转换器中的光学镜的半反半透镜区域，增益选择开关选择全透射状态，能够简便快捷地获得被测激光脉冲的相位信息，可以作为实时测量工具。

4、当模式转换器处于“比较模式”时，具有对同一被测激光脉冲进行SHG-FROG方法、SPIDER方法的检测与比较的功能。此时，被测激光脉冲入射到按一定速率转动的模式转换器，使被测激光脉冲有规则的往复被模式转换器全反射与半反半透射，增益选择开关呈全透射状态，并可得到两种不同方法(FROG法和SPIDER法)的测量结果。因此，能够比较测量结果并判断其准确性；也可以采用两种测量方法所得到的结果的平均值作为最终测量结果，使测量数据更加接近真实情况。因而本发明可广泛用于超短脉冲激光技术与应用领域，尤其是超短脉冲激光器的研制、生产和调试。

附图说明

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明中的模式转换器的主视结构示意图。

图3是该模式转换器的右视结构示意图。

图4是本发明中的时间延迟快门的结构示意图。

图5是本发明中的增益选择开关的主视结构示意图。

图6是该增益选择开关的右视结构示意图。

图7是本发明处于“啁啾状态模式”时的状态示意图。

图8是本发明处于“全信息模式”时的状态示意图。

图9是现有的二次谐波频率分辨光学开关法的原理图。

图10是现有的光谱位相相干直接电场重构法的原理图。

具体实施方式

如图1所示，该飞秒激光相机，具有一激光脉冲输入端口R(一般是一段内壁镀黑的空心铝管，作为被测激光脉冲的引入通路，且与模式转换器MO成为一体)，沿着输入端口被测激光脉冲的输入方向依次设置有模式转换器MO，一面透射另一面反射镜BF和光谱相位调制器(展宽器)GT，并在一面透射另一面反射镜BF所反射的激光脉冲方向和聚焦透镜L3之间设置一传送激光脉冲给聚焦透镜L3的反射镜M₁₂。又在模式转换器所反射的激光脉冲方向设置迈克尔逊干涉仪[包括直角反射镜M₈、与该镜成直角布置的可动直角反射镜M₉(为时间延迟快门YC的一部分)以及分束镜(亦称半反半透镜)B₆、B₅]，并在迈克尔逊干涉仪所输出的激光脉冲方向依次设置所述的聚焦透镜L3、倍频晶体BBO、空间滤波光圈GQ、增益选择开关MG和光谱仪GPY，且在增益选择开关所反射的激光脉冲方向设置干涉自相关接收器SHG，并配有计算机DN和摄象机CCD。图中的箭头为被测激光脉冲的运行方向，箭头位置为被测激光脉冲的运行路线。

图2、图3所示的模式转换器中，圆形的光学镜可绕中心轴转动，且与输入端口空心管中心线成45度角并由功能支架固定。圆形的光学镜的半个圆2制成全反射镜面，另半个圆1制成半反半透镜面，该镜可由步进电机3带动旋转并由计算机控制。当需要测量脉冲的脉宽(振幅)、相位、载波中心频率、光谱带宽时，飞秒激光相机的检测状态应处于“全信息模式”，此时模式转换器是全反射镜面；当需要测量脉冲啁啾特性时，飞秒激光相机的检测状态应处于“啁啾状态模式”，此时模式转换器也是全反射镜面；当需要测量脉冲相位时，飞秒激光相机的检测状态应处于“即时相位模式”，此时模式转换器是半反半透射镜面；当需要用两种方法(FROG法与SPIDER法)测量同一个待测脉冲时，飞秒激光相机的检测状态应处于“比较模式”，此时，模式转换器是一个由计算机控制使其呈现按一定速率转动，轮换改变为全反射镜面与半反半透射镜面，上述模式的选择由操作者根据需要而定。

所述的光谱相位调制器GT(亦称展宽器)已有多种形式，如非线性介质(即色散介质)、法布里-珀罗标准具、特殊镀膜的介质膜反射镜以及本发明采用的光栅+直角反射镜等都是较成熟技术，可直接采用。本发明所述的光栅+直角反射镜结构，它包括相互间形成一定角度的光栅G(1200线/mm)、直角反射镜M₁₀，和一个可移动改变相对于光栅G距离的全反射镜M₁₁，其中光栅G与直角反射镜M₁₀的距离亦可调。进入该相位调制器GT的光，是由如前所述的模式转换器MO透射的被测光。该光首先经一面反射另一面透射镜BF的透射面，入射到所述的光谱相位调制器GT中的光栅G并反射至直角反射镜M₁₀，经M₁₀反射至光栅G，而后又被光栅G反射到全反射镜M₁₁，由全反射镜M₁₁按原路返回至光栅G，并再一次由光栅G按原路反射至直角反射镜M₁₀、又经M₁₀与原方向相反返回至光栅G，且按原进入该相位调制器GT的光路，反射到一面反射另一面透射镜BF的反射面。因此，被测激光脉冲在所述的相位调制器GT中共被光栅反射了四次，则由已知的上述有关等参数可以计算出相位调制器GT所提供的色散量、光谱剪裁量Ω、以及所述附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪的镜像光相对时间延迟τ的合适范围值，存入计算机待用。

所述的附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪包括直角反射镜M₈、与该镜成直角布置的可动直角反射镜M₉以及分束镜(亦称半反半透镜)B₆、B₅，其中可动直角反射镜M₉是时间延迟快门YC的组成部分，该时间延迟快门(图4所示)包括设置在充油内腔13中的精密螺杆丝杠15、步进电机14、精密位移传感器11以及相关电路，并且与计算机DN连接控制，使步进电机根据测量需要旋转并带动螺杆丝杠及相连可动直角反射镜M₉移动相应的距离后，CCD快门才拍摄一次，依次反复进行，以获得所需要的具有时间延迟量τ的各相关检测信号的图象。

所述的干涉自相关接收器SHG主要包括光电探测器、A/D变换器。该干涉自相关接收器SHG，加上本发明中的迈克尔逊干涉仪部分以及计算机后，所组成的结构就与现有的中国专利(ZL200420110194.2)相同，它能够完整精确地测得飞秒激光脉冲所含啁啾的大小和正负，可以达到定量分析的效果，而且能够完整再现“频率分辨自相关干涉二次谐波包络”的完整波形，并且通过图象表达的测试结果，形象直观、易于为人理解。

所述的增益选择开关MG，主要是为了扩大飞秒激光相机的检测功能，除了如上述可方便、直观检测飞秒激光脉冲啁啾特性以外，所述的增益选择开关MG的“全反射镜状态”与所述的自相关接收器SHG，加上本发明中的迈克尔逊干涉仪部分以及计算机后，即组成了传统的二次谐波自相关(SHG)方法的超短激光脉冲检测装置。另一方面，根据需要使其对测得的信号光进行分束，或者进行全反射、全透射以达到减小对测得的信号光能量的损耗。作为一种较简单的结构，增益选择开关MG可以是一个可绕中心轴转动的圆盘型的光学平面镜，该光学镜镜面与飞秒激光相机输入端口的引入通道管的中心线方向成45度角放置，并且能够在该方向上微调或锁定。该圆形光学平面镜平均分为三等份，其中三分之一为全反射镜22，三分之一为半反半透射镜21，三分之一是空的(全透射面23)。增益选择开关由步进电机26带动并通过计算机控制，以适应测量的需要。

在飞秒激光相机处于“全信息模式”状态时(即图8所示状态)时，被测激光脉冲通过模式转换器MO，被MO全反射到所述的附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪中，并被该干涉仪中的分束镜B6分成两束，其中一束被分束镜B6反射进入到迈克尔逊干涉仪的固定直角反射镜M8，其反射光作为探测光束，入射到分束镜B5并透射到所述的聚焦透镜L3；另一方面，由分束镜B6透射进入到附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪中的可移动直角反射镜M9的光束，因M9为所述的时间延迟快门YC的组成部分，并可以根据测量需要能够沿精密充油丝杠移动相应距离，从而形成了与上所述的探测光束具有相对时间延迟τ的光，将该光作为开关光(显然与上述的探测光只是具有相对时间延迟τ而无任何其它差别的镜像脉冲)，由M9反射到分束镜B5后又反射(使其与探测光相互平行入射)到所述的聚焦透镜L3，经聚焦透镜入射到所述的倍频晶体BBO(或KDP)中进行相干和频转换后，又经所述的空间滤波光圈GQ滤除不需要的杂散光，得到的和频信号光入射到所述的增益选择开关MG[根据测量需要MG可选择全透射与半反半透射二种状态(如图8中所述，由MG半反射的信号光用虚线箭头表示)]；当MG为全透射时，信号光束直接进入光谱仪GPY，并由CCD摄象机记录下强度相对于频率和时间的二维谱图。该数据通过计算机多次迭代运算处理后，可以得到被测激光脉冲的脉宽(振幅)、相位、光谱带宽等信息；当增益选择开关MG为半反半透射时，得到的和频信号光束将分为两路：一路由MG透射到如上所述的光谱仪GPY并进行如上所述的检测过程，另一路由MG反射到所述的全反射镜M₁₃，并经M₁₃反射到所述的干涉自相关接收器SHG后亦输出信号给计算机处理，给出飞秒激光脉冲所含啁啾的信息。

当飞秒激光相机处于“即时相位模式”时，被测光入射到模式转换器MO后，呈现半反半透射状态，时间增益选择开关MG处于全透射状态。此时，飞秒激光相机的状态基本与图1相同，仅是在时间增益选择开关MG与全反射镜M₁₃之间没有信号光。

当飞秒激光相机处于“啁啾状态模式”(图7所示状态)时，被测光入射到模式转换器MO后，呈现全反射状态，时间增益选择开关也处于全反射状态，并开启干涉自相关接收器SHG。

当飞秒激光相机处于“比较模式”时，模式转换器MO则按一定速率转动，使被测光交替呈半反半透及全反射状态，时间增益选择开关处于全透射状态。

以上所述的各类光学镜都应满足测量需要的光谱带宽要求，并采用吸收损耗小的石英材料。其中，非线性倍频晶体(BBO、或KDP等)的厚度为100μm左右，一面透射另一面反射镜，在被测光的载波中心频带足够宽的波长范围内，尽可能地做到具有一致足够高的透射率与反射率。值得指出的是，为使仪器的测量结果准确，各部件的精度均要有较高要求，尽可能地满足光学自相干检测的基本条件。例如，反射镜面平整度应优于1/50波长，延迟系统确保稳定不抖动，采用充油精密丝杠、延迟快门及空间滤波光圈、相应的光学镜安装在有锁定、粗调微调、三维多维精密调节架上，便于安装调节，重要光路需采取防尘避光等措施，从而可以提高测量系统的信噪比(S/N)，检测精度与灵敏度。

应当指出的是：为保证检测精确，整台装置应当设置在防震光学平台上，测量时应保证整机密闭不透光，同时尽量避免周围环境有震动源的产生等也是非常必要的。

尚需说明的是：除增益选择开关MG、模式转换器、时间延迟快门外，其余所有元器件和材料均可外购获得；所需计算机软件也可由普通程序员编制。

本发明的几种检测过程是：

1、“全信息模式”时，被测飞秒激光脉冲A从输入端口R进入，依次经过模式转换器M0(呈全反射状态)、附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪，其中经固定镜直角反射镜M₈的一束光作为探测光E(t)，另一束经可移动直角反射镜M₉引入一个相对时间延迟τ作为开关光信号E(t-τ)，将两束光经聚焦透镜L3汇聚到倍频晶体(BBO)中，从而产生和频光Esig(t，τ)，这是检测所需要的信号光，根据非线性光学原理可知它应满足关系：Esig(t，τ)∝E(t)(t-τ)。由于非线性介质内同时还产生不同方向其它光，因此，利用所述的空间滤波光圈GQ可以最大限度地滤除不需要的杂散光，并将信号光Esig(t，τ)直接入射到光谱仪GPY(此时增益选择开关应处于全透射状态)，并由摄象机CCD记录所测得的图象(SHG-FROG迹线)，把图象及相关数据输入到计算机DN处理，利用迭代运算程序，就能得到被测飞秒激光脉冲的振幅(脉宽)、相位、光谱带宽等信息，并可绘出波形图象。显然，该检测过程即为图9所述的二次谐波频率分辨光学开关法(SHG-FROG法)。

2、“啁啾状态模式”(此时模式转换器是一全反射镜，增益选择开关处于全反射状态)时，被测激光脉冲入射到模式转换器后，被全反射到附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪中的分束镜而分为两束，其中一束经附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪的固定直角反射镜的反射光作为“固定光”，与另一束经附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪的可移动(启动其精密慢进挡)的直角反射镜的反射光作为“可移动光”，在计算机控制下选择最小步长，使该“可移动光”对上述“固定光”进行扫描，并使步进电机每转进一步采集一个数据。因此，能够得到干涉条纹可分辨的二次谐波自相关平面曲线图形，相关数据由计算机处理便可得到直观的飞秒激光脉冲所含啁啾大小及正负信息，达到如中国专利(ZL200420110194.2)所述效果。

3、“即时相位模式”时，被测飞秒激光脉冲A从输入端口R进入，依次经过模式转换器MO，此时模式转换器呈半反半透射状态，使被测激光脉冲分成透射光和反射光：所透射的光通过一面透射另一面反射镜的透射面，入射到光谱相位调制器GT(展宽器)并赋予线性的正啁啾而被调制，然后沿原路返回至一面透射另一面反射镜的反射面，并反射至全反射镜M₁₂，再反射至聚焦透镜L3。另一方面，在模式转换器所反射的被测激光脉冲，依次穿过附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪、聚焦透镜、倍频晶体、空间滤波光圈、增益选择开关(增益选择开关为全透射状态)和光谱仪。被测激光脉冲通过附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪，产生出具有相对延迟时间τ的镜像脉冲光束：E(t)与E(t-τ)，并与前述由一面透射另一面反射镜反射的具有被赋予线性正啁啾的光束E′(t)平行入射到聚焦透镜进入倍频晶体BBO内发生相干和频，由于时间延迟τ及啁啾的存在，使得镜像脉冲光束与被赋予线性正啁啾的光束在不同频率上和频，因此产生一频差，这个频差被称为光谱剪裁量，用Ω表示。和频后的光束经过空间滤波光圈、增益选择开关(此时增益选择开关为全透射状态)，进入光谱仪并由CCD摄象机记录其光谱相干的干涉条纹图象，其数学表达式为：

$D(\mathrm{\ω},\mathrm{\τ})={\left|\tilde{E}({\mathrm{\ω}}_C-\mathrm{\Ω})\right|}^2+{\left|\tilde{E}\left({\mathrm{\ω}}_C\right)\right|}^2+2\left|\tilde{E}({\mathrm{\ω}}_C-\mathrm{\Ω})\right|\left|\tilde{E}\left({\mathrm{\ω}}_C\right)\right|\×\mathrm{COS}[\mathrm{\θ}\left({\mathrm{\ω}}_C\right)-\mathrm{\ω\τ}]$

其中，D(ω，τ)为摄得的干涉条纹图象的表达式； 及

是输入脉冲对的频域表达式；Q是光谱剪裁量，且 τ是延迟时间， 是光谱相位调制器的二阶色散；ω_c和ω_c-Q分别为经光谱剪裁后两脉冲的中心频率。

将上述光谱相干的干涉条纹图象(或称SPIDER迹线数据)输入计算机中，并用SPIDER的反演算法处理，就可得到飞秒激光脉冲的相位信息。由于运算简单、快捷，从而可以得到被测激光脉冲的即时相位信息。

显然，该检测过程即为图10所述的光谱位相相干直接电场重构法(SPIDER法)。

4、“比较模式”时，被测飞秒激光脉冲A从输入端口R进入，此时模式转换器按一定速率(根据“全信息模式”与“即时相位模式”对应的SHG-FROG法与SPIDER法测量各自所需要的时间)转动，使被测激光脉冲有规则的往复被光学镜全反射与半反半透射变动(此时增益选择开关呈全透射状态)，则能够用两种不同方法(FROG法和SPIDER法)测量同一个被测飞秒激光脉冲，比较测量结果，并给出其平均值，从而进一步提高了测量的精确度。

初始状态设置与调整：

(1)在初始测量时，调整被测激光脉冲进入输入端口R的正确入射角度，使飞秒激光相机的观察显示窗口的对应指示灯亮。通过计算机使模式转换器处于“全信息模式”(呈全反射状态)、增益选择开关启用半反半透射状态、启用干涉白相关接收器SHG，并开启附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪的快速移动挡全程往复移动一次，被测激光脉冲经由如前所述“全信息模式”的光路，由飞秒激光相机的观察显示屏上可以观察到被测激光脉冲自相关信号的最大值，从而可以确定SHG-FROG测量所需要的最佳延迟时刻τ值并存入计算机，待测量时由时间延迟快门执行。同时，通过光谱仪、光电探测器可以测出被测激光脉冲的中心载波频率及光谱带宽，将这些参数存入计算机待用。

(2)还需要通过计算机使模式转换器处于“即时相位模式”(呈半反半透射状态)、增益选择开关启用半反半透射状态、同时启用干涉自相关接收器SHG，被测激光脉冲经由如前所述“即时相位模式”的光路，并开启附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪的快速移动挡全程往复移动，同时调整光谱相位调制器(展宽器)中的可移动全反射镜M₁₁与光栅的距离(可改变其二阶色散量的值)，并由飞秒激光相机的观察显示屏上可以观察到被测激光脉冲相干光强对不同延迟时间τ及

的变化情况，从而可以确定SPIDER法测量所需要的最佳延迟时刻τ及Ω的取值范围，存入计算机待测量时由时间延迟快门执行。

Claims (6)

1、飞秒激光相机，其特征在于该相机具有一激光输入端口R，沿着该端口的激光脉冲方向依次设置有模式转换器MO、一面透射另一面反射镜BF和光谱相位调制器GT，并在一面透射另一面反射镜BF所反射的激光脉冲方向和聚焦透镜L3之间设置一传送激光脉冲的反射镜M₁₂，以便使得该路激光脉冲先穿过模式转换器MO、一面透射另一面反射镜BF输至光谱相位调制器GT进行频率剪裁，然后沿原路返回至一面透射另一面反射镜BF并反射至聚焦透镜L3；又在模式转换器MO所反射的激光脉冲方向设置附有时间延迟快门的迈克尔逊干涉仪，并在迈克尔逊干涉仪所输出的激光脉冲方向依次设置聚焦透镜L3、倍频晶体BBO、空间滤波光圈GQ、增益选择开关MG和光谱仪GPY，且在增益选择开关MG所反射的激光脉冲方向设置干涉自相关接收器SHG，另外还配有计算机DN和摄象机CCD，以便使得另一路由模式转换器MO反射的激光脉冲先穿过迈克尔逊干涉仪，并从迈克尔逊干涉仪输出后与前述的由一面透射另一面反射镜BF所反射的一路激光脉冲一起平行输入到聚焦透镜L3合并后进入倍频晶体BBO进行和频；经过和频的激光脉冲又通过空间滤波光圈GQ、增益选择开关MG后分为两束激光脉冲，一束激光脉冲穿过增益选择开关进入光谱仪GPY，由CCD摄象机摄像并送至计算机DN处理图象数据，另一束激光脉冲由增益选择开关反射至干涉自相关接收器SHG后输出信号给计算机DN处理。

2、根据权利要求1所述的飞秒激光相机，其特征在于所述的模式转换器MO中设有一可绕圆心转动的圆形的光学镜，其中半个圆制成全反射镜(2)，另半个圆制成半反半透镜(1)，该镜由精密电机(3)带动并由计算机控制，以使飞秒激光相机的检测状态处于全信息模式、即时相位模式、啁啾状态模式或比较模式。

3、根据权利要求1所述的飞秒激光相机，其特征在于所述的增益选择开关MG中设有一可绕圆心转动的圆形的光学镜，其中1/3个圆制成全反射镜(22)，1/3个圆制成半反半透镜(21)，1/3个圆为全透镜(23)，该镜由精密电机带动并由计算机控制。

4、根据权利要求1所述的飞秒激光相机，其特征在于所述的时间延迟快门包括设置在充油内腔(13)中的精密螺杆丝杠(15)、步进电机(14)、精密位移传感器(11)以及相关电路，并且与计算机DN连接控制，还包括迈克尔逊干涉仪中的可动直角反射镜M₉。

5、根据权利要求1或2或3或4所述的飞秒激光相机，其特征在于所述的空间滤波光圈GQ是一中心孔面积可连续调整的光圈，用光学多维调节架固定。

6、根据权利要求5所述的飞秒激光相机，其特征在于所述的光谱相位调制器GT包括相互间形成一定角度的光栅G、直角反射镜M₁₀和可移动反射镜M₁₁。

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